應用智能手機探究濃度對化學反應速率的影響*
——以“硫代硫酸鈉和稀硫酸反應”為例

韓 怡

(昆明市第三中學，云南 昆明 650500)

1 實驗背景

基于云南省在2020年秋季學期開始使用普通高中化學人教版新教材(2019版)[1]的背景，筆者積極鉆研新教材，對比舊教材(人教2003版)[2]，感悟新教材的變化和編制意圖。針對“濃度對化學反應速率的影響”這一教學內容進行新舊教材的對比分析(如表 1)，發現新教材在定性研究濃度和溫度對化學反應速率的影響上，刪去舊教材的一個實驗案例(高錳酸鉀和草酸反應)，并使用了同一個實驗案例(硫代硫酸鈉和稀硫酸反應)來分別探究濃度和溫度對化學反應速率的影響，精簡了實驗內容，使探究內容更加結構化和系統化。由此看來,新教材使用的“硫代硫酸鈉和稀硫酸反應”這個實驗承擔了兩個化學反應速率影響因素的探究，值得細細品味研究以助力教學實施。本文將針對該實驗進行改進，應用智能手機和相應App探究濃度化學反應速率的影響。

表1 “濃度對化學反應速率的影響”內容的新舊教材對比

2 實驗過程

2.1 實驗原理

“硫代硫酸鈉和稀硫酸反應”實驗的反應原理是：Na2S2O3+H2SO4==Na2SO4+SO2↑+S↓+H2O。反應現象是：反應過程中溶液由澄清逐漸變渾濁。溶液越渾濁，透過溶液能檢測到的光強度越小，因此可以利用光強度隨時間的變化來表征化學反應速率的變化。筆者應用智能手機(自帶光線傳感器)和相應的App測定并記錄反應過程中光強度的變化，以此間接表征出化學反應速率的變化，然后再通過對比不同濃度溶液反應的變化曲線趨勢(斜率)即可得出結論。

2.2 裝置及用途

儀器：50 mL燒杯1個、手電筒1個(若有穩定光源，則此不需要)、膠頭滴管若干

藥品：0.1 mol/L硫代硫酸鈉溶液、0.1 mol/L硫酸溶液

其他設備：智能手機，科學日志App，希沃傳屏App或希沃授課助手App。

針對實驗裝置中用到的智能手機和App作出說明如下表所示(如表2)。

表2 關于實驗所用其他設備的說明

2.3 實驗準備

本實驗需準備好材料，然后簡單搭建即可開始實驗，搭建方式如圖1所示。雖然目前有文獻指出類似的光線傳感器可以自制[3-5]，但筆者認為隨著智能手機的普及，這種自制光線傳感器的實用性和便捷性將大大降低。綜上所述，應用現有的智能手機自帶的光線傳感器，能更加便捷的達到相應的實驗目的和教學效果，解決了自制儀器費時費力的問題。

圖1 應用智能手機探究濃度對化學反應速率的影響實驗裝置圖

如圖1搭建好裝置，將盛有10 mL 0.1 mol/L硫代硫酸鈉溶液的50 mL燒杯置于智能手機的光線傳感器(一般位于手機聽筒的左側)之上。提前設置好希沃投屏App，以將手機屏幕投影到大屏上供學生觀察實時數據。

2.4 操作步驟

1)打開智能手機上的“科學日志”App，調出“環境光”測量頁面，即可實時監測光強度。點擊屏幕下方的“紅色圓圈”按鈕即可開始記錄光強度的變化數據，同時軟件自動在屏幕上實時畫出光強度-時間變化曲線。可以觀察到此時光強度穩定在644 Lx(光強度的單位)。

2)向燒杯中加入10 mL 0.1 mol/L硫酸溶液，然后持續觀察光強度變化，發現光強度逐漸下降。可觀察到因硫酸溶液的加入，縱坐標光強度有上下波動但迅速回歸初始光強度，因此曲線上下波動處即為加入硫酸的時刻(如圖2)。

3)等待觀察光強度逐漸下降至最低數值且穩定不變時，說明反應結束。此時再次點擊屏幕下方的“紅色圓圈”按鈕以停止記錄，至此則完成一組實驗并獲得曲線1。

4)用0.2 mol/L硫酸溶液替換0.1 mol/L硫酸溶液，重復進行1)～4)步驟，完成第二組實驗并獲得曲線2。

5)通過“控制變量”“定一議二”“數形結合”等方法，對比曲線1和曲線2，可分析和解讀圖像，得出結論：當其他條件一定時，濃度越大，化學反應速率越快。

最后值得一提的是，“科學日志”App的實驗結果界面(如圖2右圖)，還提供了“分享”的功能。“分享”能以.csv格式的文件形式導出實驗數據，后期只需用excel軟件打開即可畫出光強度-時間曲線圖。實際運用和數據處理十分便捷。

圖2 實驗操作步驟

3 實驗效果與完善設想

3.1 實驗效果與教學推廣

與傳統實驗相比，智能手機和App的引入，使得實驗數據和圖像可以動態地、實時地呈現在屏幕上(如圖3和圖4)，而且導出數據后經過數據處理可對比圖像(如圖5)，數據清晰準確，經論證可得結論。圖5顯示，相同時間內，高濃度組的光強度下降更多，斜率更大，說明生成的沉淀更多使得光強度下降更多。可得結論是：當其他條件不變時，濃度越高，化學反應速率越快。

圖5 硫代硫酸鈉與不同濃度稀硫酸反應的圖像

圖3 硫代硫酸鈉與0.1 mol/L稀硫酸反應圖像 圖4 硫代硫酸鈉與0.1 mol/L稀硫酸反應圖像

在教學實踐中，筆者將傳統實驗設計在新課中，將本文的實驗設計在復習課中，并且課前和課后均做了問卷調查。調查對象是高二年級2個理科班學生，共112人。對問卷統計結果(如表3)的分析如下：

表3 新課和復習課課堂前后的調查問卷統計結果(節選)

第1～2個選項結果顯示:通過課堂教學，學生對傳統實驗和改進實驗的理解均有提升，說明學生在課堂的學習是有效的,而且對化學反應原理的本質理解更加深入。尤其在復習課上，對改進實驗的理解人數比例由26%提高到77%，說明學生的思維水平在復習課上有所提升。

第3個選項結果顯示:學生對改進實驗優點的認可人數比例由51%提高到100%，說明通過課堂上親自動手做實驗的體驗，學生對用智能手機做化學實驗的態度更加積極和認可。

第4個選項結果顯示：課前10%的學生認為自己能分析清楚圖像，課后該比例提升到77%，說明圖像分析仍然是學生學習的難點，在課堂教學中注重圖像分析將有助于學生能力和思維水平的提升。

第5個選項結果顯示：100%的學生能主動根據“控制變量唯一”的思想來設計實驗，說明學生已有經驗和知識基礎較為扎實，教師可以設置關于實驗設計的更高水平問題以培養學生高階思維。

第6個選項結果顯示：能主動關注實驗設計的定量關系的學生比例較低，課前僅23%的學生有定量意識，課后雖然比例提升到有63%的學生能主動關注定量，但是與能主動關注“控制變量唯一”的比例(100%)相比而言，有定量意識或能主動關注定量關系的學生偏少。這樣的情況也與目前實驗教學中普遍存在的“缺乏對學生定量意識培養”的現狀有關，這種現狀使得學生體會不到定量關系在化學實驗中的重要性。因此老師應在教學中注重培養學生的定量意識，這將有助于學生的思維發展。

此外，本文的實驗裝置還可推廣用于改進“溫度對反應速率的影響” “影響化學平衡移動的因素探究”[3]等新課標要求的必做實驗，對此目前已有一些可查閱的文獻，在此不再贅述。

3.2 完善設想

1)需要設計和制作一個固定手機、燒杯和光源的一體化模具。筆者在實驗過程中發現，手機的光線傳感器非常靈敏，設備的移動或者近距離的操作會使得光強度有波動(如圖5中0 s～0.15 s顯示光強度有少量波動)，從而增大測量誤差和數據異常。因此后續完善的方向是設計一個防干擾的模具，能起到固定手機、燒杯和光源的作用，預期用3D打印技術實現制作。進行本實驗需要注意的是測量過程中，光源需穩定，切勿移動手機、燒杯等設備，以免干擾光線傳感器的測量。

2)利用智能手機附帶多種傳感器這一特點，可嘗試從更多角度開發實驗，讓課本實驗“數字化”和“趣味化”[6]，數字化實驗“平民化”，使智能手機成為教師教學和學生學習的隨身小工具。另外，筆者還希望通過加強自身的理論學習，探索更加多元的教學評價方法和手段，以期使實驗實踐效果的評價角度更加多元，評價手段更加豐富，評價結果更加準確。

4 改進反思

通過與傳統實驗(測定不同濃度溶液變渾濁后將燒杯底部“十”字完全遮蓋所需的時間長短)和數字化實驗(測量濁度變化曲線)作比較，筆者對本文實驗改進的反思有如下3點。

1)實驗的定量化、動態化和圖像化有助于培養學生綜合能力。

與傳統實驗相比，該實驗能精確測定光強度-時間曲線，減少了人眼判斷的誤差，能動態地、實時地呈現定量數據，培養學生獲取信息和分析解決問題的能力。比如，當達到相等光強度時，可從曲線上精確讀出所需反應時間，從而得出相應結論，這將減少人眼判斷沉淀是完全遮蓋燒杯底部“十”字時的誤差，同時還能培養學生通過“控制變量”“定一議二” “數形結合”的方法來分析和解讀圖像的能力。

2)實驗的簡化和平民化有助于擴大教學應用的范圍。

與數字化實驗相比，該實驗材料易得，操作簡單，重現性好，可操作性強且易于推廣出更多的探究角度和研究形式。如演示實驗、學生實驗和研究性學習小組實驗；利用普及程度高的智能手機代替了昂貴的數字化實驗設備，實現了教材傳統實驗的“數字化”；App的使用增強了“掌上化學實驗”的交互性。

3)智能設備在實驗教學中的應用亟待更多研究。

如今已有越來越多的研究者開始借助智能手機，甚至是其他智能設備以及相應App去探究中學化學實驗。而我們更應注意到這個思路仍有推廣的空間，這個領域亟待更多研究。以智能手機為例，因為它本身是一個自帶了磁場、壓力、加速度、距離、光強度和攝像頭等多個傳感器的科技產品，所以可以在一定條件下代替數字化實驗的傳感器來輔助實驗，而且還可能涉及到物理和生物等學科交叉的研究問題。這就為沒有條件開展數字化實驗的學校和地區提供了新思路，也給學生提供了應用身邊現有工具去探究實踐的機會，促進學生的科學探究意識、創新意識和動手實踐能力，我們期待著有更多的師生積極投入到探索中來。